Multisim在竞争冒险教学中的应用

Multisim在竞争冒险教学中的应用
作者：赵波
来源：《现代电子技术》2010年第07期
摘要:在数字逻辑课堂教学中,引入Multisim软件,结合逻辑电路实例讲述竞争冒险现象。

利用Multisim软件中的虚拟元件建立示例电路的仿真模型,模拟电路的运行状况,生动地展示了竞争冒险的产生过程,使课堂教学更加地贴近工程实际,帮助学生更好地理解和掌握所学内容,对提高课堂教学效率,激发学生的学习兴趣有重要的意义。

关键词:数字逻辑; 竞争冒险; Multisim软件; 教学
中图分类号:TP274 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)07-0166-03
Application of Multisim in Race and Hazard Teaching
ZHAO Bo
(Department Electrical Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)
Abstract: The race and hazard phenomenon is deseribed with the introduction of Multisim software applied in digital logic class teaching in combination with example of logic circuit. The simulation model of example circuit is built by the virtual components.The process generating race and hazard phenomenon is psesented vividly through simulating the circuit.This method makes class teaching more close to the engineering practice and helpful to students′ understanding and mastering of the know-ledge.Also, this is meaningful to improve the efficiency of class teaching and inspiring the students′ interest in learning.
Keywords: digital logic; race and hazard; Multisim software; teaching
0 引言
竞争冒险是发生在数字逻辑电路实际运行中的一种现象。

在电路的实际运行中,信号的变化以及电路传输延迟的存在会造成竞争冒险的产生。

如何在课堂教学中更好地去讲述这一在电路实际运行中发生的现象是值得教学工作者考虑的问题。

课堂教学侧重于相关理论的讲述,理
论讲述可有效地对竞争冒险产生的原因进行分析,并说明由此带来的结果,但很难给学生形成一种直观的印象。

对于这种与实际联系较为紧密的问题,仅仅从理论上阐述是不够的,一种较好的方法是在理论讲述的同时能够呈现产生这一现象的过程,从而给学生留下更深刻的印象,帮助学生更好地将理论知识与实际联系起来。

在通常的教学过程中,受时间和空间的限制,显然不可能把实验设备搬至课堂。

而仿真软件的出现可以弥补这一不足。

本文所使用的仿真软件是Multisim。

Multisim是加拿大IIT公司在EWB 5.0的基础上推出的更高版本的电路设计与仿真软件[1],主要用于模拟和数字电路的仿真[2]。

Multisim继承了EWB 5.0上手快、实用性强、界面简单等优点。

同时,Multisim的电路仿真速度更快、元件库更丰富。

Multisim包含有大量的仿真元器件和常用仿真仪器[3]。

因其强大的功能和诸多的优点,近年来已被广泛应用于课堂教学,各种与Multisim相结合的教学方法也层出不穷[3-8]。

1 教学示例
在进行组合逻辑电路竞争冒险教学时,教材[9]中提到如图1所示逻辑电路。

图1 教学示例逻辑电路图
该电路的逻辑表达式为。

当A,B都为1时,逻辑表达式为L=C+C,理论上,在不考虑传输门延迟,并且认为电路处于稳定状态时,输出为1。

但在实际电路中,逻辑门是存在传输延迟的,当输入信号C发生变化时信号在各个路径上的传输时间不同,电路会出现竞争冒险现象。

教学中,将重点讨论信号电平变化瞬间电路的输出情况。

2 Multisim仿真
2.1 建立仿真模型
2.1.1 确定输入信号
在仿真时需向逻辑电路输入端C提供变化的信号。

这里变化信号由Multisim软件中的虚拟信号发生器提供。

打开信号发生器属性框,如图2所示。

选择方波信号,设置频率为1 MHz,幅值为5 V。

图2 设置信号发生器
2.1.2 建立仿真电路
Multisim软件的元件库中有大量的逻辑门可供选择,这里选择74HC_6 V系列逻辑门,按照图1建立仿真电路,如图3所示。

Multisim中的逻辑门具有传输延迟参数,恰好可以满足仿真中需要传输延迟的要求。

传输门G1的默认平均延迟为20 ns,传输门G2,G3,G4的默认平均延迟为21 ns。

图3 仿真电路
2.1.3 输出观察工具的选择
通常在观察电路输出时需要示波器,Multisim软件中带有虚拟示波器,可用来观察仿真结果,使仿真变得更加直观。

为了能够对电路的多个信号同时进行观察比较,这里选择4通道的虚拟示波器。

完整的仿真电路模型,如图4所示。

示波器的A通道用来观察输入信号,B通道用来观察传输门G2的输出,C通道用来观察传输门G3的输出,D通道用来观察传输门G4的输出。

2.2 运行仿真
基于输入信号的频率为1 MHz,设置仿真时间为2 μs,这样观察2个周期就可以了。

运行仿真,完成后打开示波器,仿真结果如图5所示。

图4 完整的仿真电路模型
图5 仿真结果
示波器窗口界面中,自上而下依次为C端输入信号、传输门G2输出信号、传输门G3输出信号、传输门G4输出信号。

当C端输入信号由高电平突变为低电平时,传输门G2由于传输延迟的存在,其输出信号由高到低的变化相比输入信号的变化时刻出现了延迟。

传输门G3的输出同样也出现了延迟,而且从输出端C到G3的输出经过了G1、G3两个逻辑门,因此G3输出信号的延迟较比G2输出信号的延迟更大,这就是传输路径的不同导致了延迟的不同。

由以上分析可知,由于G2输出信号由高到低的变化和G3输出信号由低到高的变化不是同时发生的,存在时间差,出现了竞争,经过逻辑门G4后导致了低电平冒险脉冲的出现,该脉冲的输出也存在延迟。

从图中可以较为清楚地观察到竞争冒险的发生。

竞争冒险的存在会导致电路运行时发生误动作,因此总希望消除竞争冒险的发生。

对以上建立的逻辑电路,可通过增加乘积项的方法消除竞争冒险。

增加乘积项后的仿真电路如图6所示,图中G5为所增加的与门,此时电路的逻辑表达式为逻辑关系未发生改变。

对该电路进行仿真,结果如图7所示。

从图中看出,增加乘积项的电路已消除了竞争冒险现象。

图6 增加乘积项后的仿真电路
图7 增加乘积项后的仿真结果
3 结语
针对竞争冒险这一电路实际运行中发生的现象,在教学过程中引入Multisim软件,利用Multisim软件中的信号发生器、逻辑门、示波器等建立仿真电路,模拟实际电路的运行情况。

由此观察当输入信号发生变化时,电路中各传输门的输出变化及之间的时序关系。

以此,更加深入地分析和揭示竞争冒险现象的产生机理,对课堂教学起到了良好的辅助作用。

参考文献
[1]刘建清.从零开始学电路仿真Multisim与电路设计Protel技术[M].北京:国防工业出版社,2006.
[2]戚新波,刘宏飞,郑先锋,等.电路的计算机辅助分析——Matlab与Pspice应用技术[M].北京:电子工业出版社,2006.
[3]易灵芝,王根平,李卫平,等.Multisim在电类课程实验教学中的应用[J].计量与测试技
术,2009,36(5):1-3.
[4]罗映祥,谭泽富.Multisim 2001电路仿真软件在负反馈电路教学中的应用[J].现代电子技术,2008,31(7):161-162.
[5]张亚君,陈龙,牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2008,25(8):108-110.
[6]孙晓艳,黄萍.基于Multisim的电子电路课堂教学[J].微电子技术,2006(24):142-144.
[7]覃善华,欧阳义芳,吴伟明,等.EWB在《数字电路》教学中的应用[J].现代电子技
术,2004,27(1):100-102.
[8]肖令禄,朱志平.Multisim 8在数字电路课程教学中的应用[J].科技信息,2009(13):114,145.
[9]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.
[10]阎石.数字电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2000.。